WO2020125957A1 - Bürstenlose elektrische maschine - Google Patents

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WO2020125957A1
WO2020125957A1 PCT/EP2018/085604 EP2018085604W WO2020125957A1 WO 2020125957 A1 WO2020125957 A1 WO 2020125957A1 EP 2018085604 W EP2018085604 W EP 2018085604W WO 2020125957 A1 WO2020125957 A1 WO 2020125957A1
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rotor
angle
electrical machine
machine according
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PCT/EP2018/085604
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Inventor
Christian Binder
Oliver Fuchs
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Robert Bosch Gmbh
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Priority to PCT/EP2018/085604 priority patent/WO2020125957A1/de
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/03—Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation

Definitions

  • the invention relates to a brushless electrical machine, in particular a brushless DC motor, with a housing, with at least one rotor which is arranged on a shaft which is rotatably mounted in the housing, and with a stator fixed to the housing, the rotor being associated with a contact-free working rotor position detection device which has a multi-pole magnetic ring arranged on the shaft in a rotationally fixed manner and at least one magnetic field-sensitive sensor which is fixed to the housing and is assigned radially to the outer circumference of the magnetic ring.
  • Brushless electrical machines are known from the prior art. For their drive, it is important that the current angle of rotation or the current angle of rotation position of the rotor can be precisely determined in order to be able to control the stator. Correct commutation of the electrical machine is only possible if the current angle of rotation position is known. That's the way it is
  • a structure is also known in which the signal transmitter has a multipole magnetic ring. The advantage here is that there are more options available for the system, because the magnetic ring is also between the rotor and one, for example
  • the electrical machine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an advantageous design of the electrical machine enables the sensor signal to be uniquely assigned to an angle of rotation
  • the invention provides that the number of pole pairs of the rotor and the
  • Number of pole pairs of the magnetic ring are prime. Thanks to the number of pole pairs that are not common to each other, a rotation angle segment of the magnetic ring and in can be achieved within a very short time, in particular using the vernier or Vernier principle
  • the current angle of rotation can be determined from the sensor signal.
  • the invention thus offers an advantageous solution for the unambiguous determination of the angle of rotation with only little additional effort.
  • the electrical machine is therefore not immediately after
  • the rotor has a number of poles of 4. This means that the rotor corresponds to a frequently used rotor and existing rotors can be used without additional costs.
  • the magnetic ring preferably has a number of pole pairs of 5, so that the number of pole pairs that are not common to each other are obtained. Because the magnetic ring itself is less complicated than the rotor, the number of pole pairs can be adjusted to 5 or another number of pole pairs that are not relatively common to the manufacturer.
  • the electrical machine therefore has 4 pairs of poles in the rotor and a number of poles in the magnetic ring of 5.
  • the number of pole pairs of the magnetic ring determines the number of
  • Rotation angle segments of the rotor position detection device When the system is started, the rotation angle segment in which the rotor or magnetic ring is located is first determined, and then the current rotation angle is determined as a function of the detected rotation angle segment.
  • the following method is carried out for this purpose, which is preferably carried out or can be carried out by a control device of the electrical machine.
  • the mechanical angle in the angular range from 0 to 360 ° is clearly determined and all corrections that could depend on mechanical angles can now be applied, so that an advantageous commutation of the electrical machine is guaranteed in the following operation.
  • the brushless electrical machine has a control device which is specially designed to assign an angle of rotation segment as a function of the signal from the sensor and the angle of rotation as a function of the determined angle of rotation segment
  • control device is expediently electrically connected to the sensor, in particular to a sensor output of the
  • control device is designed to evaluate the output signal of the sensor in order to determine the magnetic fields of the
  • TMR TMR
  • control device for determining the control device for determining the control device
  • Actuated angle of rotation segment and that a monitoring device is present, by means of which the rotor is monitored for a rotational movement. If the machine or the rotor stops at the beginning, then the rotor is already in the selected first rotation angle segment. Knowing the angle of rotation segment is now dependent on the Sensor signal determines the angle of rotation position using the angle of rotation segment. However, if it is recognized that the rotor is moving or rotating, the result is that the rotor was not in the selected first rotation angle segment in its starting position. This already limits the search for the correct rotation angle segment.
  • the control device preferably has at least one volatile or non-volatile memory in which the determined result is stored for later use. In particular, it is stored whether the rotor is rotating and, if so, in which direction (for example left or right).
  • the monitoring device or the device is therefore preferred
  • Control unit designed to monitor the rotational movement for a direction of rotation. Depending on the detected direction of rotation at
  • Rotary movement of the first control is carried out by the control device, a second control of the rotor, which the selection of
  • Angle of rotation segments further restricted.
  • the control device will subsequently actuate or apply a second current to the rotor with the aim of a specific direction of rotation.
  • the control device is particularly preferably designed such that when the rotor moves in the opposite direction of rotation to the first direction of rotation or the expected direction of rotation, in the following step the stator preferably with a second current for rotating the rotor in a direction of rotation opposite to the first direction of rotation by two
  • Angle segments are acted upon and monitored by the monitoring device for a further rotational movement. If the rotor does not move, ie if the rotor comes to a standstill after a predefinable period of time has elapsed, it is determined that the rotor in the above-described exemplary embodiment has a 4: 5 pole pair ratio, in the third
  • the angle of rotation position can be clearly determined as a function of the sensor signal.
  • the control device is preferably designed to use the monitoring device to monitor the further rotational movement for a rotational direction or to determine the rotational direction of the rotational movement.
  • the procedure is as described above.
  • the detected direction of rotation is compared with the second direction of rotation, that is to say with the direction of rotation opposite to the first direction of rotation.
  • the stored directions of rotation and rotary movements are read out in the memory and compared with one another by the control device.
  • the control device has, in particular, an evaluation logic which is implemented by a microprocessor and / or an integrated circuit.
  • the stator is set with a third current to rotate the rotor by only one angle segment in the opposite direction. Now the rotor must stop and the current rotation angle segment can be determined. Depending on the direction of the correction, the rotor or magnetic ring was in the second or fourth at system start
  • FIG. 1 shows a brushless electrical machine in a simplified perspective illustration
  • Figure 2 is a diagram for explaining an advantageous
  • FIG. 3 is a table for further explanation of the method.
  • Figure 4 is a flow chart to explain the method.
  • FIG. 1 shows a simplified illustration of a brushless electrical machine 1 which has a housing 2 in which a shaft 3 is rotatably mounted. On the shaft 3 is a rotor 4 and at a free end Drive pinion 5 arranged in the rotation test.
  • the shaft 3 is rotatably supported in the housing 2 by a plurality of bearings 6, in particular rolling element bearings.
  • the rotor 4 is also assigned a stator 7 with at least one stator winding which can be energized, the stator 7 being arranged coaxially with the rotor 4.
  • a magnetic signal transmitter 8 in the form of a multipole magnetic ring 9 is also arranged on the shaft 3 in a rotationally fixed manner.
  • a sensor 10, which is designed to be magnetic field-sensitive, is assigned to the magnet ring 9 in a manner fixed to the housing. The sensor 10 thus serves as
  • the number of pole pairs of the rotor 4 and the magnet ring 9 are not prime
  • the rotational angle position of the rotor 4 is determined in particular for the system start of the electrical machine 1 with the aid of the control device 11, which is designed to carry out the method described below.
  • FIG. 2 first shows the behavior of the electrical machine 1 via the mechanical angle of rotation cp me ch in several diagrams.
  • the top diagram shows the characteristic of the mechanical rotation angle cp me ch.
  • the diagram below shows the electrical angle of rotation of the rotor 4 with the number of pole pairs 4.
  • the diagram below shows the magnetic angle of rotation of the magnet ring 9 via the mechanical angle 4.
  • the bottom section of FIG. 2 shows the angle of rotation segments defined by the magnet ring 9 by its number of pole pairs of 5 I to V.
  • the control unit 11 is designed to use the vernier or vernier principle to determine the current angle of rotation of the rotor 4 to first determine the angle of rotation segment in which the current angle of rotation of the rotor 4 lies, and depending on the determined angle of rotation segment using the sensor detected signal to determine the current angle of rotation. With a sufficiently small load torque, the rotation angle segment can be identified quickly using the vernier or vernier principle. The exact mechanical angle cp including all angle corrections is then immediately determined. To do this, the
  • Angle of rotation segment of the magnetic ring 9 is. This is solved with the aid of the method described below with reference to FIGS. 3 and 4, which determines the correct angle of rotation segment by setting an electric field or current.
  • Angle of rotation segments I to V result in which it can be located.
  • the correct rotation angle segment I to V is determined by means of the advantageous method. For this purpose, it is preferably provided that the method is only carried out when the electric machine 1 can achieve a low-torque or low-load state when starting, so that the rotor 4 can be securely locked into place.
  • the following following angles are used for better understanding: 0 °; 18 °; 36 °; -36 °; -18 °
  • the method described below which is carried out by the control device 11, ensures that the current can be switched on quickly, so that a particularly short initialization time is ensured, the electrical machine 1 being excited as a permanent magnet
  • DC machine is designed, remains almost motionless when switched on, and under certain circumstances a short ramp-up of the current is sufficient to initialize and determine the current angle of rotation of the rotor 4.
  • the prerequisite is that a blocked electrical machine 1 or a blocked rotor 4 can be excluded.
  • the correct angle of rotation segment I to V can be determined by means of a maximum of two corrections in the approximation method.
  • a current is first applied to the stator in step S2 such that the rotor 4 is set in the direction of the segment I.
  • the rotor 4 is monitored for a rotary movement in a step S3.
  • a partial step S3a it is first checked whether the rotary movement takes place in the predetermined direction of rotation and in a partial step S3b whether a rotary movement takes place in the opposite direction in the predetermined direction of rotation. If the query shows that there is no rotary movement because neither one in the direction of rotation nor against the direction of rotation is detected, it is determined in step S4 that the rotor 4 is already in the angle of rotation segment I.
  • step S5 is set in the opposite direction by two segments as the first correction angle ⁇ i, so that the rotor rotates by two segments in the opposite direction opposite
  • step S6 shows that the rotor 4 has not moved
  • step S8 the rotor is in the third segment has found and further control is not necessary.
  • query S10 it is checked again whether the rotation angle movement has taken place in the desired direction.
  • step S10 If the query in step S10 shows that the rotor 4 is not moving, no further control is necessary and it is determined in step S12 that the rotor 4 has already been in the angle of rotation segment IV.
  • FIG. 3 shows the method for the present in a table
  • Embodiment The segments I to V are listed in the first column.
  • the drag angle a is plotted in the second column.
  • the speed Wi which is recorded after the power is first switched on. The speed is calculated in particular by means of the signal from sensor 10.
  • the first correction angle ⁇ i is plotted, in the fifth column the speed W2 which is reached when the current is switched on a second time and in the last column the second correction angle ⁇ 2.
  • control unit 11 The method described or the control unit 11 is the same for all combinations of the number of pole pairs of the rotor 4 and of which are not common to the shares
  • Magnet rings 9 can be used or used, in which case the individual steps are / are adapted accordingly in order to obtain a clear statement.

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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Brushless Motors (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft erine bürstenlose elektrische Maschine (1), insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Gehäuse (2), mit wenigstens einem Rotor (4), der auf einer in dem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Welle (3) angeordnet ist und mit einem gehäusefesten Stator (7), wobei dem Rotor (4) eine berührungsfrei arbeitende Rotorlagenerkennungseinrichtung zugeordnet ist, die einen auf der Welle (3) drehfest angeordneten mehrpoligen Magnetring (9) und wenigstens einen radial dem Außenumfang des Magnetrings (9) gehäusefest zugeordneten magnetfeldsensitiven Sensor (10) aufweist. Vorgeschlagen wird die Polpaarzahl (z4) des Rotors (4) und die Polpaarzahl (z9) des Magnetrings (9) teilerfremd auszuführen.

Description

Beschreibung
Titel
Bürstenlose elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine bürstenlose elektrische Maschine, insbesondere bürstenloser Gleichstrommotor, mit einem Gehäuse, mit wenigstens einem Rotor, der auf einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Welle angeordnet ist, und mit einem gehäusefesten Stator, wobei dem Rotor eine berührungsfrei arbeitende Rotorlagenerkennungseinrichtung zugeordnet ist, die einen auf der Welle drehfest angeordneten und mehrpoligen Magnetring und wenigstens einen radial dem Außenumfang des Magnetrings zugeordneten gehäusefesten magnetfeldsensitiven Sensor aufweist.
Stand der Technik
Bürstenlose elektrische Maschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Für deren Antrieb ist es wichtig, dass der aktuelle Drehwinkel beziehungsweise die aktuelle Drehwinkelposition des Rotors genau bestimmbar ist, um den Stator ansteuern zu können. Nur in Kenntnis der aktuellen Drehwinkelposition ist eine korrekte Kommutierung der elektrischen Maschine möglich. So ist es
beispielsweise bekannt, bei einer Permanentmagnet erregten-Synchronmaschine einen Signalgeber dem Rotor drehfest zuzuordnen, und axial dazu ein
Sensorelement, das das Magnetfeld des Signalgebers überwacht, sodass durch den Sensor die vollen 360° Umdrehungswinkel des Signalgebers ermittelbar sind. Dadurch ist die elektrische Maschine sofort nach Systemstart regelbar, weil der aktuelle Drehwinkel sofort bekannt ist. Auch ist ein Aufbau bekannt, bei welchem der Signalgeber ein mehrpoligen Magnetring aufweist. Hierbei liegt der Vorteil darin, dass für das System mehr Möglichkeiten zur Verfügung stehen, weil der Magnetring beispielsweise auch zwischen dem Rotor und einem
mechanischen Abgang (auf der Welle fest angeordnetes Antriebsritzel) der elektrischen Maschine platzierbar ist. Dies bedingt jedoch, dass der Sensor gehäusefest radial zu dem Magnetring angeordnet ist. Damit ist der mechanische Drehwinkel des Rotors nicht eindeutig ohne weiteres aus dem Sensorsignal ermittelbar.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine vorteilhafte Ausbildung der elektrischen Maschine eine eindeutige Zuordnung des Sensorsignals zu einem Drehwinkel
beziehungsweise einer Drehwinkelposition des Rotors erlaubt. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Polpaarzahl des Rotors und die
Polpaarzahl des Magnetrings teilerfremd sind. Durch die teilerfremde Polpaarzahl wird erreicht, dass innerhalb kürzester Zeit mithilfe insbesondere des Nonius oder Vernier-Prinzips ein Drehwinkelsegment des Magnetrings und in
Abhängigkeit des erfassten Drehwinkelsegments der aktuelle Drehwinkel aus dem Sensorsignal ermittelbar sind. Die Erfindung bietet somit mit nur einem geringen Mehraufwand eine vorteilhafte Lösung zur eindeutigen Bestimmung des Drehwinkels. Die elektrische Maschine ist damit zwar nicht sofort nach
Inbetriebnahme regelbar, weil nicht bekannt ist, in welche Richtung Strom und Spannung für die Regelung eingestellt werden müssen, jedoch ist in ausreichend kurzer Zeit mit einem ausreichend kleinen Lastmoment die Drehwinkelposition und damit auch die Vorgabe für Strom und Spannung ermittelbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor eine Polpaarzahl von 4 auf. Damit entspricht der Rotor einem häufig verwendeten Rotor und es kann auf bereits bestehende Rotoren zurückgegriffen werden, ohne Kostenmehraufwand.
Vorzugsweise weist der Magnetring eine Polpaarzahl von 5 auf, sodass sich die teilerfremden Polpaarzahlen ergeben. Weil der Magnetring selbst weniger kompliziert als der Rotor aufgebaut ist, ist eine Anpassung der Polpaarzahl auf 5 oder eine andere teilerfremde Polpaarzahl kostengünstig durchführbar.
Insbesondere weist also die elektrische Maschine Polpaarzahl des Rotors von 4 und eine Polpaarzahl des Magnetrings von 5 auf. Die Polpaarzahl des Magnetrings bestimmt dabei die Anzahl von
Drehwinkelsegmenten der Rotorlagenerkennungseinrichtung. Beim Systemstart wird zunächst das Drehwinkelsegment ermittelt, in welchem der Rotor beziehungsweise Magnetring steht, und anschließend in Abhängigkeit des erfassten Drehwinkelsegments der aktuelle Drehwinkel bestimmt. Insbesondere wird hierzu das folgende Verfahren durchgeführt, das bevorzugt von einem Steuergerät der elektrischen Maschine durchgeführt wird beziehungsweise durchführbar ist. Nach der Initialisierung der elektrischen Maschine ist der mechanische Winkel im Winkelbereich von 0 bis 360° eindeutig bestimmt und alle Korrekturen, welche von mechanischen Winkel abhängen könnten, können jetzt angewendet werden, sodass eine vorteilhafte Kommutierung der elektrischen Maschine im folgenden Betrieb gewährleistet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die bürstenlose elektrische Maschine ein Steuergerät auf, das speziell dazu hergerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors ein Drehwinkelsegment und in Abhängigkeit des ermittelten Drehwinkelsegments den Drehwinkel zu
bestimmen, wie vorstehend bereits beschrieben. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Dazu ist das Steuergerät zweckmäßigerweise elektrisch mit dem Sensor, insbesondere mit einem Sensorausgang des
Sensors, verbunden. Insbesondere ist das Steuergerät dazu ausgebildet, das Ausgangssignal des Sensors auszuwerten, um die Magnetfelder des
Magnetrings sowie deren Ausrichtungen und Einfluss auf den Sensor auszuwerten. Vorzugsweise ist als Sensor ein TMR-Sensor (TMR =
magnetischer Tunnelwiderstand oder magnetoresistiver Effekt) vorhanden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Steuergerät zum Ermitteln des
Drehwinkelsegments den Stator zunächst mit einem ersten Strom zum Drehen des Rotors in einer ersten Drehrichtung in ein erstes ausgewähltes
Drehwinkelsegment beaufschlagt, und dass eine Überwachungseinrichtung vorhanden ist, mittels welcher der Rotor auf eine Drehbewegung überwacht wird. Bleibt die Maschine beziehungsweise der Rotor zu Beginn stehen, dann befindet sich der Rotor bereits in dem ausgewählten ersten Drehwinkelsegment. In Kenntnis des Drehwinkelsegments wird nun in Abhängigkeit von dem Sensorsignal die Drehwinkelposition mithilfe des Drehwinkelsegments bestimmt. Wird jedoch erkannt, dass sich der Rotor bewegt beziehungsweise dreht, ergibt sich, dass sich der Rotor in seiner Ausgangsstellung nicht in dem ausgewählten ersten Drehwinkelsegment befunden hat. Dies grenzt die Suche nach dem korrekten Drehwinkelsegment bereits ein. Bevorzugt weist das Steuergerät zumindest einen flüchtigen oder nicht-flüchtigen Speicher auf, in welchem das ermittelte Ergebnis zur späteren Verwendung hinterlegt wird. Insbesondere wird gespeichert, ob der Rotor dreht, und wenn ja, in welche Richtung (beispielsweise links oder rechts).
Bevorzugt ist daher die Überwachungseinrichtung beziehungsweise das
Steuergerät dazu ausgebildet, die Drehbewegung auf eine Drehrichtung zu überwachen. In Abhängigkeit von der erfassten Drehrichtung bei der
Drehbewegung der ersten Ansteuerung wird durch das Steuergerät eine zweite Ansteuerung des Rotors vorgenommen, welche die Auswahl der
Drehwinkelsegmente weiter beschränkt. Durch Kenntnis der Drehrichtung ist feststellbar, ob sich der Rotor in die erste Drehrichtung wie erwartet bewegt, oder in die entgegengesetzte Drehrichtung. Je nachdem, ob sich der Rotor in die erwartete Drehrichtung oder in die entgegengesetzte Drehrichtung bewegt, wird im Folgenden der Rotor durch das Steuergerät mit einem zweiten Strom, mit dem Ziel einer bestimmten Drehrichtung angesteuert beziehungsweise beaufschlagt.
Besonders bevorzugt ist das Steuergerät dazu ausgebildet, dass dann, wenn sich der Rotor in die zur ersten Drehrichtung beziehungsweise erwarteten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung bewegt, im folgenden Schritt der Stator vorzugsweise mit einem zweiten Strom zum Drehen des Rotors in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung um zwei
Drehwinkelsegmente beaufschlagt und durch die Überwachungseinrichtung auf eine weitere Drehbewegung überwacht wird. Bewegt sich der Rotor nicht, wird also nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer der Stillstand des Rotors festgestellt, wird bestimmt, dass sich der Rotor bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel mit einem Polpaarzahlverhältnis 4:5, im dritten
beziehungsweise vierten Segment (je nach Drehrichtung zu Beginn des
Verfahrens) befindet. Damit ist das Drehwinkelsegment bekannt und in
Abhängigkeit des Sensorsignals ist die Drehwinkelposition eindeutig ermittelbar. Vorzugsweise ist das Steuergerät dazu ausgebildet, mittels der Überwachungseinrichtung die weitere Drehbewegung auf eine Drehrichtung zu überwachen beziehungsweise die Drehrichtung der Drehbewegung festzustellen. Dabei wird wie vorgehend beschrieben vorgegangen. Insbesondere wird die erfasste Drehrichtung mit der zweiten Drehrichtung, also mit der zur ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung, verglichen. Dazu werden die gespeicherten Drehrichtungen und Drehbewegungen in dem Speicher ausgelesen und durch das Steuergerät miteinander verglichen. Das Steuergerät weist dazu insbesondere eine Auswertelogik auf, die durch einen Mikroprozessor und/oder eine integrierte Schaltung realisiert ist. Bewegt sich der Rotor in die entgegengesetzte Richtung als zu der Gewollten, wird der Stator mit einem dritten Strom zum Drehen des Rotors um nur ein Drehwinkelsegment in die Gegenrichtung gestellt. Jetzt muss der Rotor stehen bleiben und das aktuelle Drehwinkelsegment ist feststellbar. Je nach Richtung der Korrektur war der Rotor beziehungsweise Magnetring bei Systemstart im zweiten oder vierten
Drehwinkelsegment.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
Figur 1 eine bürstenlose elektrische Maschine in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung,
Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines vorteilhaften
Betriebsverfahrens,
Figur 3 eine Tabelle zur weiteren Erläuterung des Verfahrens, und
Figur 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens.
Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine bürstenlose elektrische Maschine 1, die ein Gehäuse 2 aufweist, in welchem eine Welle 3 drehbar gelagert ist. Auf der Welle 3 ist ein Rotor 4 und an einem freien Ende ein Antriebsritzel 5 drehtest angeordnet. Die Welle 3 ist durch mehrere Lager 6, insbesondere Wälzkörperlager in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert. Dem Rotor 4 ist außerdem ein Stator 7 mit zumindest einer bestrombaren Statorwicklung zugeordnet, wobei der Stator 7 koaxial zum Rotor 4 angeordnet ist.
Zwischen dem Rotor 4 und dem Antriebsritzel 5 ist auf der Welle 3 außerdem ein magnetischer Signalgeber 8 in Form eines mehrpoligen Magnetrings 9 drehfest angeordnet. Dem Magnetring 9 ist gehäusefest ein Sensor 10 zugeordnet, der magnetfeldsensitiv ausgebildet ist. Der Sensor 10 dient somit als
Signalempfänger des Signalgebers 8.
Die Polpaarzahl des Rotors 4 und des Magnetrings 9 sind teilerfremd
ausgebildet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Rotor 4 eine Polpaarzahl Z4 = 4 auf, und der Magnetring 9 eine Polpaarzahl zg = 5. Mittels der Sensoreinrichtung aus Sensor 10 und Magnetring 9 wird die
Drehwinkelposition des Rotors 4 insbesondere zum Systemstart der elektrischen Maschine 1 mithilfe des Steuergeräts 11 bestimmt, das dazu hergerichtet ist, das im Folgenden beschriebene Verfahren durchzuführen.
Figur 2 zeigt hierzu zunächst in mehreren Diagrammen das Verhalten der elektrischen Maschine 1 über den mechanischen Drehwinkel cpmech . Dabei zeigt das oberste Diagramm die Kennlinie des mechanischen Drehwinkels cpmech . Das darunterliegende Diagramm zeigt den elektrischen Drehwinkel des Rotors 4 mit der Polpaarzahl 4. Das darunterliegende Diagramm zeigt den magnetischen Drehwinkel des Magnetrings 9 über den mechanischen Drehwinkel 4. Der unterste Abschnitt von Figur 2 zeigt die von dem Magnetring 9 durch seine Polpaarzahl von 5 definierten Drehwinkelsegmente I bis V.
Das Steuergerät 11 ist dazu ausgebildet, mithilfe des Nonius- oder Vernier- Prinzips zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels des Rotors 4 zunächst das Drehwinkelsegment zu bestimmen, in welchem der aktuelle Drehwinkel des Rotors 4 liegt, und in Abhängigkeit des bestimmten Drehwinkelsegments mithilfe des von dem Sensor erfassten Signals den aktuellen Drehwinkel zu bestimmen. Bei ausreichend kleinem Lastmoment kann innerhalb kurzer Zeit mithilfe des Nonius- oder Vernier-Prinzips das Drehwinkelsegment identifiziert werden. Anschließend steht sofort der exakte mechanische Winkel cp inklusive aller Winkelkorrekturen fest. Dazu wird beim Systemstart zunächst die
Sensoreinrichtung initialisiert. Das heißt, es wird ermittelt, in welchem
Drehwinkelsegment der Magnetring 9 steht. Dies wird mithilfe des im Folgenden mit Bezug auf Figuren 3 und 4 beschriebenen Verfahrens gelöst, welches durch Stellen eines elektrischen Feldes oder Stromes das richtige Drehwinkelsegment bestimmt.
Durch die Polpaarzahl zg = 5 bestehen vorliegend fünf verschiedene
Drehwinkelpositionen, in welchen der Rotor 4 im stromlosen Zustand magnetisch einrasten kann, sodass sich bei Stillstand des Rotors fünf verschiedene
Drehwinkelsegmente I bis V ergeben, in welchen er sich befinden kann. Mittels des vorteilhaften Verfahrens wird das richtige Drehwinkelsegment I bis V ermittelt. Dafür ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn die elektrische Maschine 1 beim Aufstarten einen lastmomentarmen oder -freien Zustand erreichen kann, damit ein Einrasten des Rotors 4 sicher gewährleistet ist.
Wie Figur 2 zeigt, entstehen aufgrund der teilerfremden Polpaarung
Winkeloffsets von Vielfachen von 18°: 360°/(z4 x zg) = 18°. Aufgrund des
Überlaufs eines Kreises gilt dabei folgendes: Ein Schleppwinkel cu von 3 x 18° entspricht auch einem Schleppwinkel von 04· = -2 x 18°. Gleichermaßen gilt, dass ein Schleppwinkel as = 4 x 18° einem Schleppwinkel von as· = -1 x 18° entspricht, es kommt dabei also auf die Drehrichtung des Rotors 4 an. Zum besseren Verständnis werden im Folgenden die folgenden Schleppwinkel verwendet: 0°; 18°; 36°; -36°; -18°
Durch das im Folgenden beschriebene Verfahren, das von dem Steuergerät 11 ausgeführt wird, wird erreicht, dass ein schnelles Einschalten des Stroms möglich ist, sodass eine besonders kurze Initialisierungszeit gewährleistet ist, wobei die elektrische Maschine 1, die als Permanentmagnet-erregte
Gleichstrommaschine ausgebildet ist, beim Einschalten fast bewegungsfrei bleibt, und unter Umständen reicht ein kurzes Hochrampen des Stroms bereits zur Initialisierung und Feststellung des aktuellen Drehwinkels des Rotors 4 aus. Vorausgesetzt ist, dass eine blockierte elektrische Maschine 1 beziehungsweise ein blockierter Rotor 4 ausgeschlossen werden kann.
Mit dem Wissen, dass es vorliegend fünf verschiedene Winkeloffsets des Magnetrings 9 aufgrund dessen Polpaarzahl Zs = 5 gibt, kann mittels maximal zwei Korrekturen im Näherungsverfahren das richtige Drehwinkelsegment I bis V ermittelt werden.
Dazu wird nach einer Initialisierung des Systems in Schritt S1 zunächst der Stator in einem Schritt S2 mit einem Strom derart beaufschlagt, dass der Rotor 4 in Richtung des Segments I gestellt wird. Dabei wird in einem Schritt S3 der Rotor 4 auf eine Drehbewegung überwacht. In einem Teilschritt S3a wird zunächst geprüft, ob die Drehbewegung in die vorbestimmte Drehrichtung erfolgt und in einem Teilschritt S3b, ob eine Drehbewegung in der vorgegebenen Drehrichtung entgegengesetzte Richtung erfolgt. Ergibt die Abfrage, dass keine Drehbewegung erfolgt, weil weder eine in Drehrichtung noch entgegen der Drehrichtung erfasst wird (n), so wird in Schritt S4 festgestellt, dass sich der Rotor 4 bereits in dem Drehwinkelsegment I befindet.
Sollte sich der Rotor 4 jedoch in die gewünschte Drehrichtung bewegen, wenn die Abfrage S3a positiv beantwortet wird (j), so wird der Stromwinkel in Schritt S5 um zwei Segmente als erster Korrekturwinkel ßi in die Gegenrichtung gestellt, sodass der Rotor um zwei Drehwinkelsegmente in die entgegengesetzte
Richtung verdreht wird. Bleibt der Rotor 4 stehen, so befand sich der Rotor 4 beim Systemstart dritten Segment III je nachdem, welche Drehrichtung zu Beginn gewählt wurde. Dies wird in Schritt S6 geprüft. Bewegt sich die Maschine in die entgegengesetzte als die angesteuerte Richtung (j), wird der Stromwinkel in Schritt S7 um ein Segment als zweiter Korrekturwinkel ß2 erneut in die
Gegenrichtung gestellt. Jetzt muss der Rotor 4 stehenbleiben. Je nach Richtung der Korrektur war die Magnetring 9 bei Systemstart im zweiten Segment II. Ergibt die Anfrage in Schritt S6, dass sich der Rotor 4 nicht bewegt hat (n), so wird in einem Schritt S8 festgestellt, dass sich der Rotor im dritten Segment befunden hat und eine weitere Ansteuerung nicht notwendig ist. Ergibt die Anfrage im Schritt S3b, dass sich der Rotor 4 entgegengesetzt der ersten Drehrichtung gedreht hat (j), so wird in einem Schritt S9 der Stator 7 derart mit Strom beaufschlagt, dass der Rotor um zwei Drehwinkelsegmente (ßi = +36°) in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird. In der darauffolgenden Abfrage S10 wird erneut geprüft, ob die Drehwinkelbewegung in die gewünschte Richtung stattgefunden hat. Ist dies der Fall (j), so wird der Stator 7 nochmals im Schritt Sil mit einem Strom derart beaufschlagt, dass sich der Rotor 4 um ein Drehwinkelsegment ß2 = -18° entgegen der ersten Drehrichtung verdreht, sodass feststellbar ist, dass sich der Rotor 4 nunmehr im fünften Drehwinkelsegment V befindet.
Ergibt die Abfrage in Schritt S10, dass der Rotor 4 sich nicht bewegt, so ist keine weitere Ansteuerung notwendig und es wird in Schritt S12 festgestellt, dass sich der Rotor 4 bereits im Drehwinkelsegment IV befunden hat.
Figur 3 zeigt dazu in einer Tabelle das Verfahren für das vorliegende
Ausführungsbeispiel. In der ersten Spalte sind die Segmente I bis V aufgelistet.
In der zweiten Spalte ist der Schleppwinkel a aufgetragen. In der dritte Spalte die Geschwindigkeit Wi, die nach dem ersten Einschalten des Stroms erfasst wird. Die Geschwindigkeit wird insbesondere mittels des Signals des Sensors 10 berechnet. In der vierten Spalte wird der erste Korrekturwinkel ßi aufgetragen, in der fünften Spalte die Geschwindigkeit W2, die beim zweiten Einschalten des Stroms erreicht wird und in der letzten Spalte der zweite Korrekturwinkel ß2.
Das beschriebene Verfahren beziehungsweise das Steuergerät 11 ist bei allen teilerfremden Kombinationen der Polpaarzahlen des Rotors 4 und des
Magnetrings 9 anwendbar beziehungsweise einsetzbar, wobei dann die einzelnen Schritte entsprechend angepasst werden/sind, um eine eindeutige Aussage zu erhalten.

Claims

Ansprüche
1. Bürstenlose elektrische Maschine (1), insbesondere bürstenloser Gleichstrommotor, mit einem Gehäuse (2), mit wenigstens einem Rotor (4), der auf einer in dem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Welle (3) angeordnet ist, und mit einem gehäusefesten Stator (7), wobei dem Rotor (4) eine berührungsfrei arbeitende Rotorlagenerkennungseinrichtung zugeordnet ist, die einen auf der Welle (3) drehfest angeordneten mehrpoligen Magnetring (9) und wenigstens einen radial dem Außenumfang des Magnetrings (9) gehäusefest zugeordneten magnetfeldsensitiven Sensor (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl (Z4) des Rotors (4) und die Polpaarzahl (zg) des Magnetrings (9) teilerfremd sind.
2. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rotor (4) eine Polpaarzahl (Z4) von 4 aufweist.
3. Bürstenlose elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (9) eine Polpaarzahl (zg) von 5 aufweist.
4. Bürstenlose elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl (zg) des
Magnetrings (9) die Anzahl von Drehwinkelsegmenten der
Rotorlagenerkennungseinrichtung bestimmt.
5. Bürstenlose elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (11), das speziell dazu hergerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors ein
Drehwinkelsegment des Magnetrings (9) und in Abhängigkeit des ermittelten Drehwinkelsegments (l-V) den Drehwinkel (cpmech) zu bestimmen.
6. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) zum Ermitteln des
Drehwinkelsegments (l-V) den Stator (7) mit einem ersten Strom zum Drehen des Rotors (4) in eine erste Drehrichtung in ein erstes Drehwinkelsegment (I) beaufschlagt, und dass eine Überwachungseinrichtung vorhanden ist, mittels welcher der Rotor (4) auf eine Drehbewegung überwacht wird.
7. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Drehbewegung auf eine Drehrichtung zu überwachen.
8. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) den Stator (7) mit einem zweiten Strom zum Drehen des Rotors (4) in einer zur ersten Drehrichtung
entgegengesetzten Drehrichtung um zwei Drehwinkelsegmente (ßi) beaufschlagt und dass die Überwachungseinrichtung den Rotor (4) auf eine Drehbewegung überwacht.
9. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Drehbewegung auf eine Drehrichtung zu überwachen.
10. Bürstenlose elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) den Stator (7) mit einem dritten Strom zum Drehen des Rotors (4) um ein Drehwinkelsegment (ßi) in die erste Drehrichtung beaufschlagt, wenn die Überwachungseinrichtung erkannt hat, dass sich der Rotor (4) durch den zweiten Strom in die erste
Drehrichtung gedreht hat.
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